Раскрыт процесс упаковки ДНК в клеточном ядре
Учёные из МГУ совместно с коллегами из США исследовали упаковку ДНК в ядре клетки и её изменение в процессе репликации. Упаковка ДНК сильно влияет на активность генов и является одним из механизмов эпигенетического контроля экспрессии генов.
Хотя все клетки организма обладают схожей генетической информацией, в конкретном типе клеток работают не все гены. Эпигенетический контроль, или «клеточная память», определяет судьбу клетки. Учёных интересовали высокие уровни структурной организации хромосом, формирующиеся в ходе последовательных фаз упаковки ДНК.
ДНК в клетке существует в виде комплекса с белками — хроматина. Начальные стадии компактизации изучены хорошо: это нуклеосомы (белковые глобулы ~10 нм из 8 молекул гистонов, вокруг которых обёрнута ДНК). Далее цепочка нуклеосом упаковывается в более толстые фибриллы и хромонемы, достигая в итоге очень высокой степени компактизации. Длина наиболее плотно упакованной митотической хромосомы в 20 000 раз меньше длины упакованной в ней ДНК.
Традиционно считалось, что высокая компактизация ДНК в хроматине мешает процессам репликации и транскрипции, и её нужно разбирать в масштабе крупных хроматиновых доменов. Однако было сложно идентифицировать эти домены, не нарушая их естественную структуру.
Учёные предложили метод маркировки хроматиновых доменов, основанный на различии во времени репликации активных и неактивных участков генов. Активно транскрибируемый эухроматин реплицируется в начале S-фазы клеточного цикла, а неактивный «молчащий» гетерохроматин — во второй её половине. Метод сочетает мечение вновь синтезированной ДНК с помощью клик-химии с последующим детектированием продуктов реакции методом коррелятивной сверхразрешающей оптической микроскопии и иммуноэлектронной микроскопии. Это позволяет увидеть одну и ту же молекулу в клетке в обоих типах микроскопов без разрушения.
Применение этого подхода дало два неожиданных результата:
- «Рабочий» хроматин, вопреки традиционным представлениям, сохраняет довольно высокий уровень упаковки и представлен высокоструктурированными фибриллами высшего порядка — хромонемами.
- ДНК в структуре хромонемы обладает высокой степенью структурной гибкости и может «перетекать» из одного участка хромонемного волокна в соседний, при этом общая плотная структура хромонемы не меняется.
Эти наблюдения позволили выдвинуть новую гипотезу: вновь синтезированная ДНК в хроматиновых структурах не фиксирована жёстко и может перемещаться внутри них, взаимодействуя с ещё не удвоенными сегментами ДНК, которые «помнят всё» и содержат компоненты для восстановления утраченной эпигенетической информации.
Ещё один результат, опубликованный в Current Biology, — отсутствие строгой иерархии в структурной организации генома. Существуют постепенные уровни организации ДНК, но нет строго упорядоченной системы, однозначно ведущей к формированию хромосомы. Есть строительные принципы, но в заданных рамках хроматина ДНК обладает свободой и гибкостью.
Дальнейшие планы исследований включают:
- Переход к анализу индивидуальных хромосомных локусов с помощью технологии TALE для их маркировки на оптическом и электронно-микроскопическом уровнях.
- Разработку ещё более нативных методов мечения in vivo, совместимых с передовыми технологиями, такими как крио-электронная микроскопия.
Учёные надеются детально наблюдать пространственную организацию ДНК и прояснить структурные аспекты эпигенетического контроля экспрессии генов. Это может помочь в разработке более эффективных подходов к терапевтическому вмешательству, например, в борьбе с раком или старением, где эпигенетический компонент играет важную роль.